UPS对数据中心服务器电能质量影响研究

董鹤楠，苑 舜，韩子娇，张林鹏，张 弘

（1.沈阳工业大学电气工程学院，辽宁 沈阳 110870；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；3.国家能源局，北京 100824；4.中国电力科学研究院，北京 100085）

UPS对数据中心服务器电能质量影响研究

董鹤楠1，2，苑 舜1，3，韩子娇2，张林鹏4，张 弘1

（1.沈阳工业大学电气工程学院，辽宁 沈阳 110870；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；3.国家能源局，北京 100824；4.中国电力科学研究院，北京 100085）

随着国民经济的快速发展，人民物质生活水平不断提高，重要负荷供电电能质量问题越来越多地引起人们的关注。UPS不间断电源大规模使用在数据中心机房中，在保障供电可靠性的同时，UPS中整流逆变设备也会给电网及负荷带来电能质量问题，以东北某气象部门数据中心机房服务器不定期损坏问题为研究对象，开展UPS不间断电源对服务器电能质量影响研究，并结合新型测试方法，对测试数据开展全面分析，为解决UPS供电带来的电能质量问题提供新思路。

服务器；气象中心；电能质量；闪变

随着国民经济的快速发展，人民物质生活水平不断提高，电力已成为人们不可缺少的重要能源形式之一。在满足工业生产、社会和人民生活对电能要求的同时，提高电能质量已成为社会文明进步的表现。新技术、新方法的研究为快节奏的“电气化生活”注入活力，但同时也给传统的供电形式带来电能质量新问题。非线性负荷的投入，可能会给周围居民的生活用电带来“污染”；风电的大规模接入，可能会给周边变电站注入特征谐波及闪变；电力电子整流逆变设备（如UPS）的使用会给重要负荷造成不可逆损坏等［1－8］。

本文以东北区域某气象部门数据中心机房服务器不定期损坏为例，开展电能质量研究，机房UPS是保证供电可靠性必不可少的电源设备，同时作为敏感器件，对电网电能质量要求很严格，然而UPS本身作为非线性负荷，也会给电网及供电负载带来影响。本文通过试验，探讨UPS对数据中心服务器的影响。

1 UPS供电特性

1.1 基本结构

UPS不间断电源根据其供电方式，主要分为在线式UPS、备用式UPS以及混合式UPS三种［9］。在线式UPS的供电方案中，负荷主要是由UPS馈供。在线式UPS供电框图如图1所示。

1.2 工作原理

图1 在线式UPS供电框图

在线式UPS将电网输入的电整流为直流电源，1条路径为电池组供电，另外1条路径将直流电源逆变成交流电供给负荷［10］。当电网输入的交流电中断或故障时，逆变器电源由电池组供给，继续为负荷提供短时电源；故障结束后，电网继续提供整流后的直流源，并继续给电池组充电。备用式UPS不同于在线式UPS，备用式UPS由电网直接供电，故障时，开关把负荷切换到电池组供电的逆变器上，开关转换需要时间。备用式UPS一般不会像在线式UPS，能提供任何瞬时保护及电压调节。

2 测试背景及方法

2.1 测试背景

东北区域某气象中心机房服务器不定期损坏，严重影响机房的正常运行，给汛期数据记录带来严重的影响。针对该问题，开展电网及数据中心机房电能质量测试。气象中心有2台主变压器，1号、2号主变型号为SCB10－1250／10。其中系统通过2号主变为数据中心机房直供电能，一次系统接线图如图2所示。

图2 气象中心一次系统图

2.2 测试方法

测试依据国标电能质量五大标准，测试仪器采用HIOKI 3196电能质量分析仪及HIOKI 3198电能质量分析仪。

由图2可见测试点位置，测试点1选择2号主变低压侧配电柜，接线方式采用三表法，测试系统背景谐波情况。如系统供电谐波或闪变超标，会给设备带来直接的损害，如系统无超标情况，可作为后续试验的对比试验。

机房服务器主要有两种供电方式，一是直接市电供电，二是电池供电。两种供电方式都通过UPS输出。测试点2选择UPS输入柜（A区），测试点3选择UPS输出柜（A区）。测试工况分两种：电池供电和市电供电。

3 UPS对服务器电能质量影响

3.1 测试点1背景谐波情况

从测试结果看，本次测试周期内，2号主变低压侧配电柜谐波电压总畸变率的95%概率大值为2.45%（A相）、2.47%（B相）、2.61%（C相），满足国家标准的限值。各次谐波电压含有率均未发生超标的情况。母线电压长时闪变最大值未超过国家标准限值。A相电压变化曲线见图3。

图3 2号主变低压侧配电柜测试点A相电压变化曲线

背景谐波测试结果电能质量指标都在合理的范围内，排除系统供电质量给服务器带来的影响。

3.2 测试点2背景谐波情况

在电池供电工况下，从测试结果看，本次测试周期内，UPS输入柜（A区）谐波电压总畸变率的95%概率大值为1.97%（A相）、2.17%（B相）、2.25%（C相），满足国家标准的限值。各次谐波电压含有率均未发生超标的情况，A相电压变化曲线见图4。母线电压长时闪变最大值未超过国家标准限值，A相闪变变化曲线见图5。

图4 UPS输入柜测试点（电池供电）380 V母线A相电压变化曲线

图5 UPS输入柜测试点（电池供电）380 V母线A相电压闪变变化曲线

在市电供电工况下，从测试结果看，本次测试周期内，UPS输入柜（A区）谐波电压总畸变率的95%概率大值为3.25%（A相）、3.17%（B相）、3.45%（C相），满足国家标准的限制值。各次谐波电压含有率均未发生超标的情况。A相电压变化曲线见图6。母线电压长时闪变最大值未超过国家标准限值，A相闪变变化曲线见图7。

图6 UPS输入柜测试点（市电供电）380 V母线A相电压变化曲线

图7 UPS输入柜测试点（市电供电）380 V母线A相电压闪变变化曲线

UPS输入柜无论在市电供电工况下还是电池供电工况，电能质量指标都满足国标要求，进一步排除系统侧供电质量差。可为UPS后端对比测试提供数据支撑。

3.3 测试点3背景谐波情况

在电池供电工况下，从测试结果看，本次测试周期内，UPS输入柜（A区）谐波电压总畸变率的95%概率大值为1.11%（A相）、1.09%（B相）、1.11%（C相），满足国家标准的限制值。各次谐波电压含有率均未发生超标的情况。A相电压变化曲线见图8。母线电压长时闪变最大值未超过国家标准限值，A相闪变变化曲线见图9。

图8 UPS输出柜测试点（电池供电）380 V母线A相电压变化曲线

图9 UPS输出柜测试点（电池供电）380 V母线A相电压闪变变化曲线

在市电供电工况下，从测试结果看，本次测试周期内，UPS输入柜（A区）谐波电压总畸变率的95%概率大值为1.47%（A相）、1.34%（B相）、1.32%（C相），满足国家标准的限制值。各次谐波电压含有率均未发生超标的情况。A相电压变化曲线见图10，从图10中可以看出，电压变化幅值很小，但变化频率非常快，说明UPS控制策略只考虑对市电电压幅值的限制，忽略了对变化频率的考虑，局部放大图见图11，从而导致母线闪变时而发生超标，母线电压长时闪变最大值为1.024，超过国家标准限制值，闪变变化曲线见图12。过快的电压波动及长期闪变超标导致服务器的不定期损坏。

图10 UPS输出柜测试点（市电供电）测试点380 V母线A相电压变化曲线

图11 UPS输出柜测试点（市电供电）测试点380 V母线A相电压变化曲线（局部放大）

图12 UPS输出柜测试点（市电供电）测试点380 V母线A相电压闪变变化曲线

3.4 闪变治理措施

闪变的治理措施有很多，包括常用的静止电容器、电力电子开关装置以及增加系统容量，特殊方法的选定基于很多因素［11］。本文发现UPS控制策略有明显的不足，根据图11可以看出，UPS过细的对幅值进行限值，而忽略其变化频率，从而造成闪变超标现象。后期可调整UPS控制策略，在标准范围内放宽对幅值的限定，减小电压波动频率，降低闪变值［12］。

4 结束语

电能质量对生产及重要负荷供电至关重要，本文对东北地区某气象中心数据中心机房服务器损坏问题进行原因分析，通过背景谐波及UPS前端测试，确定系统供电质量在合格的范围内，不是导致服务器损坏的直接原因，通过UPS后端测试，发现UPS控制策略有明显的不足，频繁的电压控制导致波动剧烈，闪变超标，并给出解决办法，为后续解决UPS供电带来电能质量问题带来新思路。

［1］林海雪.现代电能质量的基本问题［J］.电网技术，2001，25（10）：5－8.

［2］孙树勤，林海雪.干扰性负荷的供电［M］.北京：中国电力出版社，1996.

［3］Math H.J.Bollen，Understanding Power Quality Problems，Valtage Sage Sags and interruptions，IEEE press SERIES ON Power Engi⁃neering，The Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc.，New York，2000.

［4］刘红玲，詹跃东.UPS电源技术发展新动态［J］.电源世界，2000，（2）：8－10.

［5］魏书英.气象业务UPS电源设备的使用与维护［J］.现代建筑电气，2013，25（12）：58－60.

［6］王 磊，王秋莎.基于云重心评价的电能质量综合评估［J］.东北电力技术，2015，36（4）：14－17.

［7］孙睿峰.影响电能质量的因素及控制方法［J］.东北电力技术，2009，30（12）：21－23.

［8］蔡志远，戈阳阳，马少华.大规模风电接入电网谐波影响研究［J］.东北电力技术，2014，35（4）：31－34.

［9］李焦明.大型UPS系统应用技术要点［J］.电力自动化设备，2005，25（4）：86－87.

［10］（美）杜根（Dugan，R.C.）等，林海雪译.电力系统电能质量［M］.北京：中国电力出版社，2012.

［11］IEEE 61000⁃4⁃15，Electromagnetic Compatibility（EMC）. Part4：Testing and Measuring Techniques.Section 15：Flicker⁃meter⁃Functional and Design Specifications.

［12］欧盟－亚洲电能质量项目中国合作组编.用户电能质量测试评估与解决方案案例集［M］.北京：中国电力出版社，2009.

Study on Effects of UPS on Power Quality of Data Center Server

DONG Henan1，2，YUAN Shun1，3，HAN Zijiao2，ZHANG Linpeng4，ZHANG Hong1
（1.School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang，Liaoning 110870，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；3.National Energy Administration，Beijing 100824，China；4.China Electric Power Research Institute，Beijing 100085，China）

With the rapid development of the national economy，people's material living standards continue to improve，more and more people begin to pay close attention to the power quality of the important load power.The use of UPS on a large scale in the data center room.UPS can guarantee the reliability of power supply，but the inverter equipment of UPS gives the load to bring problems for power quality.The research object of this paper is the data center computer room server of meteorological department in Northeast China.The problem is that the server is often damaged.To carry out the research on power quality of UPS.Combined with the new test method，a comprehensive analysis of the test data is carried out.This paper provides a new way to solve power quality problems caused by UPS power supply.

server；meteorological center；power quality；flicker

TP308

A

1004－7913（2016）10－0005－04

董鹤楠（1986），男，在读博士，研究方向为微电网及电能质量关键技术。

2016－07－22）